JP2008072098A - Semiconductor image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ等に使用される半導体イメージセンサに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor image sensor used for a video camera, a digital still camera, or the like.
半導体イメージセンサは、光電変換手段とMOSトランジスタとを含む複数の画素を備え、この画素の信号をMOSトランジスタにより選択して読み出す半導体デバイスである。近年、この半導体イメージセンサ、特にCMOS(相補型MOS)プロセスで製造される所謂CMOSイメージセンサは、低電圧・低消費電力、多機能であり、かつ周辺回路とワン・チップ化できるSOC(システムオンチップ)という利点を有している。従って、携帯電話用のカメラ、デジタルスチルカメラあるいはデジタルビデオカメラ等の撮像素子として注目され使用されている。 The semiconductor image sensor is a semiconductor device that includes a plurality of pixels including photoelectric conversion means and a MOS transistor, and selects and reads signals from the pixels by the MOS transistor. In recent years, this semiconductor image sensor, in particular, a so-called CMOS image sensor manufactured by a CMOS (complementary MOS) process has a low voltage, low power consumption, multiple functions, and an SOC (system-on) that can be integrated into one chip with peripheral circuits. Chip). Therefore, it is attracting attention and used as an imaging device for a camera for a mobile phone, a digital still camera, a digital video camera, or the like.
図26に、半導体イメージセンサの構成(等価回路)の一例を示す。このCMOSイメージセンサ1は、同一の半導体基板上に、光電変換を行うフォトダイオード2と、このフォトダイオード2を選択読み出すための複数のMOSトランジスタとからなる複数の画素3を二次元的に配列した撮像素子形成領域4を備えて成る。さらに同一の半導体基板上の撮像素子形成領域4の周辺に、画素の選択と信号出力のための周辺回路5、6を備えている。この画素選択のための回路5及び出力回路6を含む領域は、周辺回路形成領域という。撮像素子形成領域4においては、各画素3が1つのフォトダイオード2と、複数のMOSトランジスタ、この例では転送用トランジスタ8、リセットトランジスタ9及び増幅トランジスタ10の3個のMOSトランジスタとで構成されている。また、周辺回路形成領域においては、画素選択のための回路(垂直走査回路)5と出力回路(水平走査・出力回路)6が、CMOSトランジスタを用いて構成されている。
FIG. 26 shows an example of the configuration (equivalent circuit) of the semiconductor image sensor. In the
図26において、フォトダイオード2は転送用トランジスタ8のソースに接続される。転送用トランジスタ8のゲートには転送用配線11が接続される。転送用トランジスタ8のドレインは、リセットトランジスタ9のソースに接続されると共に、転送用トランジスタ8のドレインとリセットトランジスタ9のソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンFDが増幅トランジスタ10のゲートに接続される。リセットトランジスタ9のゲートはリセット配線12に接続される。また、リセットトランジスタ9のドレインと増幅トランジスタ10のドレインは電源供給するための電源配線13に接続される。増幅トランジスタ10のソースは垂直信号線14に接続される。
In FIG. 26, the
このCMOSイメージセンサ1では、フォトダイオード2において光電変換される。フォトダイオードの光電子(信号電荷)は、転送用トランジスタ8により選択されて転送用トランジスタ8を通じてフローティング・ディフージョンFDに転送される。フローティング・ディフージョンFDは増幅トランジスタ10に接続されているので、フローティング・ディフージョンFDの電位に対応した信号が増幅トランジスタ10を通じて垂直信号線14に出力される。
リセットトランジスタ9は、フローティング・ディフージョンFDの信号電荷を電源配線13に捨てることによって、フローティング・ディフージョンFDの信号電荷をリセットする。横方向の配線11、12、13は同一行の画素3について共通となっており、画素選択のための回路5によって制御される。
In the
The
従来、一般のカラー用固体撮像装置は、各画素毎にカラーフィルタを載せ、そのカラーフィルタを透過した、特定波長の光信号を検知するものである。したがって、光電変換を行う半導体部に到達する光は、入射光の一部となり、カラーフィルタを載せない場合に比べて、信号出力が低下する。 Conventionally, a general color solid-state imaging device is provided with a color filter for each pixel and detects an optical signal having a specific wavelength transmitted through the color filter. Therefore, the light reaching the semiconductor portion that performs photoelectric conversion becomes a part of the incident light, and the signal output is reduced as compared with the case where no color filter is mounted.
また、特許文献1には、「三重ウェル構造利用のアクティブピクセル結像アレイでのカラー分離」として、カラーフィルタを用いないで3原色(赤、緑、青)の信号を検出するようにした、3層構造のpnフォトダイオードによる光検出装置が提案されている。この提案によれば、各フォトダイオードの端子が半導体界面部に形成され、各端子が増幅器として働くMOSトランジスタのゲートに接続されて、各フォトダイオードの信号が増幅して読み出される。
Further, in
図25に、特許文献1における光センサの構成を示す。この光センサ131は、p型半導体基板132にn型半導体層(ウェル領域)133、その上のp型半導体層(ウェル領域)134、その上の半導体界面のn型半導体層(ウェル領域)135が形成され、p型半導体基板132とn型半導体層133との組み合わせ、n型半導体層133とp型半導体層134との組み合わせ、p型半導体層134とn型半導体層135との組み合わせで、3つのフォトダイオード、すなわち赤色フォトダイオード、緑色フォトダイオード及び青色フォトダイオードが形成される。そして、赤、緑、青の各フォトダイオードに、これに蓄積する信号電荷を読み出す検出するための電流メータ141、142、143が接続されて構成される。
FIG. 25 shows the configuration of the optical sensor in
上述したCMOSイメージセンサあるいは光センサは、どちらも色の分離に関して半導体の光吸収係数が光の波長に依存することを利用している。
特許文献1の光センサ131では、同一の半導体基板132において、短波長すなわち青色光の光電変換部(フォトダイオード)を最上層に、長波長すなわち赤色光の光電変換部(フォトダイオード)を最下層に、その中間波長すなわち緑色光の光電変換部(フォトダイオード)を中間層に設けることにより、色の分離を行っている。これによれば、入射光を無駄なく利用することができ、一般のカラーフィルタ方式に比べて、信号出力を上げることができる。また、二次元的には、同一の場所から3種の色信号を取り出すことができるため、一つの画素から1種の色信号を取出すカラーフィルタ方式に比べて、色解像度を上げることができる。しかし、各フォトダイオードの電極が深さ方向に隣接するフォトダイオードの電極と共通化されているため、一つのフォトダイオードの信号電圧が深さ方向に隣接する別のフォトダイオードの信号電圧によって影響を受け、各フォトダイオードの信号を独立に取り出すのが難しい。さらに、各フォトダイオードをリセットするときに、フォトダイオードの容量に起因するkTCノイズが乗るため、S/Nが取れないという問題を含んでいる。
Both the CMOS image sensor and the optical sensor described above utilize the fact that the light absorption coefficient of a semiconductor depends on the wavelength of light with respect to color separation.
In the
一方、特許文献2では、補色フィルタのマゼンタ(Mg)フィルタと原色フィルタの緑(G)フィルタとを垂直方向及び水平方向に交互に配列してなるカラーフィルタを用いて、マゼンタフィルタを積層した受光部の深さ方向に分離した第1、第2の半導体層で赤(R),青(B)の色信号を検出し、緑フィルタを積層した受光部で緑(G)の色信号を検出するようにしたMOS型カラー固体撮像装置も提案されている。これによれば、忠実な色再現性が可能になり、高画質化も達成可能となる。
On the other hand, in
ところで、上述のようなMOS型の半導体イメージセンサにおいては、混色、ノイズを抑え、高い色分離性を有しながら感度の向上が望まれている。また、信号処理の高速化、簡略化のためには、色信号を検出するための演算式の更なる簡略化が望まれている。 By the way, in the MOS type semiconductor image sensor as described above, it is desired to improve sensitivity while suppressing color mixing and noise and having high color separation. Further, in order to increase the speed and simplification of signal processing, further simplification of an arithmetic expression for detecting a color signal is desired.
本発明は、上述の点に鑑み、色信号の演算式の簡略化を図り、感度の向上を図った半導体イメージセンサを提供するものである。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, the present invention provides a semiconductor image sensor that simplifies a color signal arithmetic expression and improves sensitivity.
本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段の信号電荷を選択読み出しするMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、第1画素に補色フィルタが配置され、第2画素に原色フィルタが配置され、第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、斜めに連続する第1画素間を結ぶ直線と、斜めに連続する第2画素間を結ぶ交点領域を仮想画素とし、互いに斜め方向に隣接する少なくとも、2つの第1画素及び2つの第2画素に蓄積された信号電荷から仮想画素の3原色信号を生成することを特徴とする。 A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out signal charges of the photoelectric conversion means, wherein the first pixel and the second pixel are Alternately arranged in the horizontal direction and alternately arranged in the vertical direction, a complementary color filter is arranged in the first pixel, a primary color filter is arranged in the second pixel, and the first pixel is composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths, The intersection region connecting the diagonally continuous first pixels and the diagonally continuous second pixels is a virtual pixel, and at least two first pixels and two second pixels adjacent to each other in the diagonal direction. It is characterized in that three primary color signals of virtual pixels are generated from the accumulated signal charges.
本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段の信号電荷を選択読み出しするMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、斜めに連続する第1画素間を結ぶ直線と、斜めに連続する第2画素間を結ぶ交点領域を仮想画素とし、互いに斜め方向に隣接する少なくとも、2つの第1画素及び2つの第2画素に蓄積された信号電荷から仮想画素の3原色信号を生成することを特徴とする。 A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out signal charges of the photoelectric conversion means, wherein the first pixel and the second pixel are The first pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction, and the first pixels are composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths, and the diagonally continuous second pixels and the diagonally continuous second pixels An intersection area connecting the virtual pixels is a virtual pixel, and three primary color signals of the virtual pixel are generated from signal charges accumulated in at least two first pixels and two second pixels that are adjacent to each other in an oblique direction. .
本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段の信号電荷を選択読み出しするMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、第1画素に補色フィルタが配置され、第2画素に原色フィルタが配置され、第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、第2画素の上下及び/または左右の第1画素から、第2画素の位置の補色信号を生成することを特徴とする。 A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out signal charges of the photoelectric conversion means, wherein the first pixel and the second pixel are Alternately arranged in the horizontal direction and alternately arranged in the vertical direction, a complementary color filter is arranged in the first pixel, a primary color filter is arranged in the second pixel, and the first pixel is composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths, A complementary color signal at the position of the second pixel is generated from the upper and lower and / or left and right first pixels of the second pixel.
本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段の信号電荷を選択読み出しするMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、第1画素に補色フィルタが配置され、第2画素に原色フィルタが配置され、第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、第1画素の上下及び/または左右の第2画素から、第1画素の位置の原色信号を生成することを特徴とする。 A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out signal charges of the photoelectric conversion means, wherein the first pixel and the second pixel are Alternately arranged in the horizontal direction and alternately arranged in the vertical direction, a complementary color filter is arranged in the first pixel, a primary color filter is arranged in the second pixel, and the first pixel is composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths, A primary color signal at the position of the first pixel is generated from the second pixel above and / or below the first pixel.
本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段の信号電荷を選択読み出しするMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、第2画素の上下及び/または左右の第1画素から、第2画素の位置の複数色信号を生成することを特徴とする。 A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out signal charges of the photoelectric conversion means, wherein the first pixel and the second pixel are Alternatingly arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction, the first pixel is composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths, and the position of the second pixel from the upper and lower and / or left and right first pixels of the second pixel. A plurality of color signals are generated.
本発明に係る半導体イメージセンサは、光電変換手段と該光電変換手段の信号電荷を選択読み出しするMOSトランジスタとを含む複数の画素を備えた半導体イメージセンサであって、第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、第1画素の上下及び/または左右の第2画素から、第1画素の位置の原色信号を生成することを特徴とする。 A semiconductor image sensor according to the present invention is a semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading out signal charges of the photoelectric conversion means, wherein the first pixel and the second pixel are Alternatingly arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction, the first pixel is composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths, and the position of the first pixel from the upper and lower and / or left and right second pixels of the first pixel. The primary color signal is generated.
本発明に係る半導体イメージセンサは、上述の各半導体イメージセンサにあって、斜めに連続する隣合う第1画素がフローティング・ディフージョンを共有し、斜めに連続する隣合う2つの第2画素を1組として各組の2つの第2画素がフローティング・ディフージョンを共有することを特徴とする。 The semiconductor image sensor according to the present invention is the semiconductor image sensor described above, wherein adjacent first pixels that are obliquely adjacent share a floating diffusion, and two adjacent second pixels that are obliquely continuous are defined as one. As a set, two second pixels of each set share a floating diffusion.
本発明に係る半導体イメージセンサでは、深さの異なる複数の光電変換領域からなる第1画素と、第2画素を水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列し、斜めに連続する第1画素間を結ぶ直線と、斜めに連続する第2画素間を結ぶ直線との交点領域を仮想画素とする。そして、互いに斜め方向に隣接する少なくとも、2つの第1画素及び2つの第2画素に蓄積された信号電荷から仮想画素の3原色信号を生成するので、色信号を得るための演算式の簡略化が図られる。また、第1画素では深さの異なる複数の光電変換領域からなるので、画素1つ1つの受光面積が広くなり、感度の向上が図られる。 In the semiconductor image sensor according to the present invention, first pixels composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths and second pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction, and the first pixels that are obliquely continuous. An intersection area between a straight line connecting the two lines and a straight line connecting the second pixels that are obliquely continuous is defined as a virtual pixel. Further, since the three primary color signals of the virtual pixel are generated from the signal charges accumulated in at least two first pixels and two second pixels that are adjacent to each other in an oblique direction, the calculation formula for obtaining the color signal is simplified. Is planned. Further, since the first pixel is composed of a plurality of photoelectric conversion regions having different depths, the light receiving area of each pixel is widened, and the sensitivity is improved.
本発明に係る半導体イメージセンサでは、第2画素の上下及び/または左右の第1画素から、第2画素の位置の補色信号または複数色信号を生成している。また、第1画素の上下及び/または左右の第2画素から、第1画素の位置の原色信号を生成している。この構成により、画素の色信号を隣接する画素の色信号から非常に単純な演算式で色信号が算出できる。 In the semiconductor image sensor according to the present invention, a complementary color signal or a multi-color signal at the position of the second pixel is generated from the upper and lower and / or the left and right first pixels of the second pixel. Further, a primary color signal at the position of the first pixel is generated from the second pixel above and / or below the first pixel. With this configuration, it is possible to calculate the color signal of the pixel from the color signal of the adjacent pixel with a very simple arithmetic expression.
更に、色毎の光電変換領域を異なる深さで形成し、かつ光電変換領域に対応したカラーフィルタを形成するときは、所望の色信号を確実に分離できる。 Furthermore, when the photoelectric conversion regions for each color are formed at different depths and color filters corresponding to the photoelectric conversion regions are formed, it is possible to reliably separate desired color signals.
本発明に係る半導体イメージセンサでは、さらに斜めに連続する隣合う画素がフローティング・ディフージョンを共有することにより、さらに1つ1つの画素の受光面積が広くなり、更なる感度の向上が図れる。 In the semiconductor image sensor according to the present invention, adjacent pixels that are obliquely continuous share a floating diffusion, so that the light receiving area of each pixel is further increased, and the sensitivity can be further improved.
本発明に係る半導体イメージセンサによれば、色信号の演算式を簡略化することができるので、後段の信号処理を高速化、簡略化し易くなる。 According to the semiconductor image sensor according to the present invention, the arithmetic expression of the color signal can be simplified, so that the subsequent signal processing can be speeded up and simplified.
更に、第2画素の上下及び/または左右の第1画素から、第2画素の位置の補色信号または複数色信号を生成する構成、あるいは第1画素の上下及び/または左右の第2画素から、第1画素の位置の原色信号を生成する構成とするときは、画素の色信号を隣接する画素の色信号から非常に単純な演算式により色信号を算出することができるので、色解像度の高い仮想画素信号を高速な演算で算出することができる。 Further, a configuration for generating a complementary color signal or a plurality of color signals at the position of the second pixel from the upper and lower and / or left and right first pixels of the second pixel, or from the upper and lower and / or left and right second pixels of the first pixel, When the primary color signal of the position of the first pixel is generated, the color signal can be calculated from the color signal of the adjacent pixel from the color signal of the adjacent pixel by a very simple arithmetic expression, so that the color resolution is high. The virtual pixel signal can be calculated by high-speed calculation.
カラーフィルタを形成するときは、所望の色信号を確実に分離できるので、光電変換領域での混色を完全に防ぐことができる。したがって、被写体に対して優れた色再現性を実現できる。 When forming a color filter, since a desired color signal can be reliably separated, color mixing in the photoelectric conversion region can be completely prevented. Therefore, excellent color reproducibility can be realized for the subject.
また、画素において、フローティング・ディフージョンを共有するときは、さらに感度を向上することができる。 Moreover, when the floating diffusion is shared in the pixel, the sensitivity can be further improved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に、本発明の第1実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるCMOSイメージセンサの概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、オンチップカラーフィルタを用いないで色分離する例である。本実施の形態に係る半導体イメージセンサ31は、同一半導体基板32の表面上に形成した、複数の画素33を2次元的に配列した受光領域となる撮像領域34と、この撮像領域34の外側に配置した画素33の選択と信号出力のために周辺回路35、36とを備えて成る。一方の周辺回路35は、撮像領域の側辺に位置する垂直走査回路(いわゆる垂直レジスタ回路)にて構成される。他方の周辺回路36は、撮像領域34の下側に位置する水平走査回路(いわゆる水平レジスタ回路)及び出力回路等(信号増幅回路、A/D変換回路、同期信号発生回路等を含む)にて構成される。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a semiconductor image sensor according to the first embodiment of the present invention, a so-called CMOS image sensor. The semiconductor image sensor of this embodiment is an example of color separation without using an on-chip color filter. The semiconductor image sensor 31 according to this embodiment includes an
撮像領域34では、複数の画素33が垂直及び水平方向に配列される。すなわち、複数の画素33は、2次元的に水平方向、垂直方向それぞれに所定ピッチW1、W2で略格子状に配置され、同一画素から異なる原色の複数の色成分信号、本例では2つの色成分信号を分離して検出する第1画素33Aと、さらに異なる原色の色成分信号、本例で1つの色成分信号を検出する第2画素33Bが水平方向に交互に且つ垂直方向にも交互に(いわゆる市松模様状に)配列される。
In the
第1画素33Aは、1つの画素構造内に2つの原色光、本例では青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードが積層された構造を有する。この第1画素33Aは、いわゆる赤/青色(R/B)画素に相当する。第2画素33Bは、1つの画素構造内に1つの色光、本例では緑色光を光電変換する1つのフォトダイオードが形成された構造を有する。この第2画素33Bは、いわゆる緑色(G)画素に相当する。
The
本実施の形態における撮像領域34では、上記市松模様状に配置されて斜めに連続する赤/青色画素(R/B)33A間を結ぶ直線と、市松模様状に配置されて上記斜め方向と交差する方向に斜めに連続する緑色画素(G)33B間を結ぶ直線との交点に仮想画素33iが形成される。
In the
図3に、第1画素(R/B画素)33Aの半導体断面構造を示す。図3においては、第1導電型の半導体基板、本例ではn型のシリコン半導体基板41に第2導電型の半導体ウェル領域、本例ではp型半導体ウェル領域42が形成され、このp型半導体ウェル領域42の表面に所要の深さ方向の幅にわたって青色光の光電変換領域となるn型半導体領域43が形成される。本例では表面からの深さで表すと0.1μm〜0.3μmの深さにわたってn型半導体領域43が形成される。さらに、p型半導体ウェル領域42内の深部において、所要の深さ方向の幅にわたって赤色光の光電変換領域となるn型半導体領域44が形成される。本例では表面からの深さで表すと0.8μm〜2.5μmの深さにわたってn型半導体領域44が形成される。さらに、n型半導体領域43の表面と、n型半導体領域44の一部基板表面側に延びる領域の表面とにわたるように、暗電流を抑制するためのp型アキュミュレーション領域57が形成される。
FIG. 3 shows a semiconductor cross-sectional structure of the first pixel (R / B pixel) 33A. In FIG. 3, a second conductivity type semiconductor well region, in this example, a p-type
n型半導体領域43とp型アキュミュレーション領域57とp型半導体ウェル領域42とにより青色光電変換手段であるフォトダイオードPDbが形成され、n型半導体領域44とp型アキュミュレーション領域57とp型半導体ウェル領域42とにより赤色光電変換手段であるフォトダイオードPDrが形成される。これらフォトダイオードPDb,PDrは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域57が形成された所謂HADセンサ(Hole Accumulation Diode)として構成される。
The n-
p型半導体ウェル領域42のフォトダイオードPDb及びPDrを挟む両側の領域には、即ちその基板表面側に、それぞれフローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域47及び48が形成される。そして、基板表面において青色用フォトダイオードPDbを構成するn型半導体領域43と一方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域47との間、すなわち、n型半導体領域43に連続して基板表面に臨むチャネル領域49上にゲート絶縁膜を介してゲート電極50が形成されて転送用トランジスタTr1bが形成される。
In the regions on both sides of the p-type
また、基板表面において赤色用フォトダイオードPDrを構成するn型半導体領域44と他方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域48との間、すなわち、n型半導体領域44に連続して基板表面に臨むチャネル領域51上にゲート絶縁膜を介してゲート電極52が形成されて、転送用トランジスタTr1rが形成される。第1画素33Aは、p型半導体ウェル領域42に形成された例えば選択酸化層による絶縁分離領域、あるいはトレンチ分離領域等による素子分離領域54により隣接画素と分離される。
Further, between the n-
このように、第1画素33Aは、1つの画素構造内に青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードPDb及びPDrが積層された構造になっている。この第1画素33Aによれば、波長の短い青色光は浅い領域に形成したフォトダイオードPDbで光電変換されて浅い領域のn型半導体領域43に信号電荷が蓄積される。信号読出し時には転送用トランジスタTr1bがオンして信号電荷が、一方のゲート電極50下のチャネル領域49を通して一方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域47に転送される。波長の長い赤色光は深い領域に形成されたフォトダイオードPDrで光電変換され深い位置のn型半導体領域44に信号電荷が蓄積される。信号読出しには転送用トランジスタTr1rがオンして信号電荷が、他方のゲート電極52下のチャネル領域51を通して他方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域48に転送される。
In this manner, the
図2に、第2画素(G画素)33Bの半導体断面構造を示す。図2においては、前述と同様に、同一の第1導電型であるn型のシリコン半導体基板41に第2導電型のp型半導体ウェル領域42が形成される。このp型半導体ウェル領域42の所要の深さ方向の幅にわたって緑色光の光電変換領域となるn型半導体領域56が形成される。すなわち図3で説明したn型半導体領域43とn型半導体領域44との間の中間位置に対応して、本例では表面からの深さで表すと0.3μm〜0.8μmの深さにわたってn型半導体領域56が形成される。n型半導体領域56の表面(基板表面)には、暗電流を抑制するp型アキュミュレーション領域57が形成される。
FIG. 2 shows a semiconductor cross-sectional structure of the second pixel (G pixel) 33B. In FIG. 2, a p-type
n型半導体領域56とp型アキュミュレーション領域57とp型半導体ウェル領域42とにより緑色光電変換手段であるフォトダイオードPDgが形成される。このフォトダイオードPDgは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域57が形成された所謂HADセンサとして構成される。
The n-
p型半導体ウェル領域42には、フローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域58が形成される。そして、基板表面において緑色用フォトダイオードPDgを構成するn型半導体領域56とフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域58との間、すなわちn型半導体領域58に連続して基板表面に臨むチャネル領域59上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極60が形成されて転送用トランジスタTr1gが形成される。第2画素33Bは前述と同様の素子分離領域54により隣接画素と分離される。
In the p-type
この第2画素33Bによれば、緑色光は中間の深さ領域に形成したフォトダイオードPDgで光電変換されてn型半導体領域56に信号電荷が蓄積される。信号読出し時には転送用トランジスタTr1gがオンして信号電荷が、ゲート電極60下のチャネル領域59を通してフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域58に転送される。
According to the
図4に、本発明の第2実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるCMOSイメージセンサの概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、補色と原色からなるオンチップカラーフィルタを用いて色分離する例である。本例のオンチップカラーフィルタは、補色フィルタであるマゼンタ(Mg)フィルタと、原色フィルタである緑色(G)フィルタの2色のオンチップカラーフィルタが用いられる。なお、第2実施の形態では、図1〜図3の第1実施の形態と対応する部分は同一符号を付して説明する。 FIG. 4 shows a schematic configuration of a semiconductor image sensor according to a second embodiment of the present invention, a so-called CMOS image sensor. The semiconductor image sensor of this embodiment is an example in which color separation is performed using an on-chip color filter composed of complementary colors and primary colors. As the on-chip color filter of this example, two colors of on-chip color filters, a magenta (Mg) filter that is a complementary color filter and a green (G) filter that is a primary color filter, are used. In the second embodiment, portions corresponding to those in the first embodiment in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals.
本実施の形態に係る半導体イメージセンサ70は、オンチップカラーフィルタを除いて、図1と同様に構成される。すなわち、同一の半導体基板32の表面上に形成した複数の画素73を2次元的に配列した受光領域となる撮像領域34と、この撮像領域34の外側に配置した画素73の選択と信号出力のための周辺回路35、36を備えて成る。一方の周辺回路35は、撮像領域34の側辺に位置する垂直走査回路(いわゆる垂直レジスタ回路)にて構成される。他方の周辺回路36は、撮像領域34の下側に位置する水平走査回路(いわゆる水平レジスタ回路)及び出力回路等(信号増幅回路、A/D変換回路、同期信号発生回路等を含む)にて構成される。
The semiconductor image sensor 70 according to the present embodiment is configured in the same manner as in FIG. 1 except for the on-chip color filter. That is, the
撮像領域34では、複数の画素73が垂直及び水平方向に配列される。すなわち、複数の画素73は、2次元的に水平方向、垂直方向それぞれに所定ピッチW1、W2で略格子状に配置され、同一画素から異なる原色の複数の色成分信号、本例では2つの色成分信号を分離して検出する第1画素73Aと、さらに異なる原色の色成分信号、本例で1つの色成分信号を検出する第2画素73Bが水平方向に交互に且つ垂直方向にも交互に(いわゆる市松模様状に)配列される。そして、撮像領域34上には、第1画素73Aに補色フィルタである例えばマゼンタ(Mg)フィルタが対応し、第2画素73Bに原色フィルタである例えば緑(G)フィルタが対応するように、MgフィルタとGフィルタの2色のオンチップカラーフィルタが配置される。
In the
第1画素(いわゆる補色画素:以下Mg画素という)73Aは、1つの画素構造内に2つの原色光、本例では青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードが積層された構造を有する。第2画素(いわゆる原色画素:以下G画素という)73Bは、1つの画素構造内に1つの色光、本例では緑色光を光電変換する1つのフォトダイオードが形成された構造を有する。撮像領域34において、73iは仮想画素を示す。
In the first pixel (so-called complementary color pixel: hereinafter referred to as Mg pixel) 73A, two primary color lights, in this example, two photodiodes that separate and photoelectrically convert blue light and red light are stacked in one pixel structure. Has a structure. The second pixel (so-called primary color pixel: hereinafter referred to as G pixel) 73B has a structure in which one photodiode for photoelectrically converting one color light, in this example, green light, is formed in one pixel structure. In the
図6に、第1画素であるMg画素73Aの半導体断面構造を示す。図6においては、前述と同様に、第1導電型の半導体基板、本例ではn型のシリコン半導体基板41に第2導電型の半導体ウェル領域、本例ではp型半導体ウェル領域42が形成され、このp型半導体ウェル領域42の表面に所要の深さ方向の幅にわたって青色光の光電変換領域となるn型半導体領域43が形成される。本例では表面からの深さで表すと0.1μm〜0.8μmの深さにわたってn型半導体領域43が形成される。さらに、p型半導体ウェル領域42内の深部において、所要の深さ方向の幅にわたって赤色光の光電変換領域となるn型半導体領域44が形成される。本例では表面からの深さで表すと0.8μm〜2.5μmの深さにわたってn型半導体領域44が形成される。さらに、n型半導体領域43の表面と、n型半導体領域44の一部基板表面側に延びる領域の表面とにわたるように、暗電流を抑制するためのp型アキュミュレーション領域57が形成される。
FIG. 6 shows a semiconductor cross-sectional structure of the
n型半導体領域43とp型アキュミュレーション領域57とp型半導体ウェル領域42とにより青色光電変換手段であるフォトダイオードPDbが形成され、n型半導体領域44とp型アキュミュレーション領域57とp型半導体ウェル領域42とにより赤色光電変換手段であるフォトダイオードPDrが形成される。これらフォトダイオードPDb,PDrは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域57が形成された所謂HADセンサとして構成される。
The n-
基板表面側において、p型半導体ウェル領域42のフォトダイオードPDb及びPDrを挟む両側の領域には、それぞれフローティング・ディフージョンFDとなるn型半導体領域47及び48が形成される。そして、基板表面において青色用フォトダイオードPDbを構成するn型半導体領域43と一方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域47との間、すなわち、n型半導体領域43に連続して基板表面に臨むチャネル領域49上にゲート絶縁膜を介してゲート電極50が形成されて転送用トランジスタTr1bが形成される。
On the surface side of the substrate, n-
また、基板表面において赤色用フォトダイオードPDrを構成するn型半導体領域44と他方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域48との間、すなわち、n型半導体領域44に連続して基板表面に臨むチャネル領域51上にゲート絶縁膜を介してゲート電極52が形成されて、転送用トランジスタTr1rが形成される。Mg画素73Aは、p型半導体ウェル領域42に形成された例えば選択酸化層による絶縁分離領域、あるいはトレンチ分離領域等による素子分離領域54により隣接画素と分離される。そして、各Mg画素73A上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタのうちの、マゼンタ(Mg)フィルタ75が形成される。
Further, between the n-
このMg画素73Aは、1つの画素構造内に、Mgフィルタ75を透過して入射された青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードPDb及びPDrが積層された構成になっている。このMg画素73によれば、Mgフィルタ75を透過した波長の短い青色光は、浅い領域に形成したフォトダイオードPDbで光電変換されて浅い位置のn型半導体領域43に信号電荷が蓄積される。信号読出し時には転送用トランジスタTr1bがオンして信号電荷が、一方のゲート電極50下のチャネル領域49を通して一方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域47に転送される。また、Mgフィルタ75を透過した波長の長い赤色光は、深い領域に形成されたフォトダイオードPDrで光電変換され深い位置のn型半導体領域44に信号電荷が蓄積される。信号読出し時には転送用トランジスタTr1rがオンして信号電荷が、他方のゲート電極52下のチャネル領域51を通して他方のフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域48に転送される。
The
図5に、第2画素であるG画素73Bの半導体断面構造を示す。図5においては、前述の図2の構成と同様に、同一の第1導電型であるn型のシリコン半導体基板41に第2導電型のp型半導体ウェル領域42が形成される。このp型半導体ウェル領域42の所要の深さ方向の幅にわたって緑色光の光電変換領域となるn型半導体領域56が形成される。すなわち、図2で説明したと同様に、n型半導体領域43とn型半導体領域44との間の中間位置に対応して、本例では表面からの深さで表すと0.1μm〜2.5μmの深さにわたってn型半導体領域56が形成される。n型半導体領域56の表面(基板表面)には、暗電流を抑制するためのp型アキュミュレーション領域57が形成される。
FIG. 5 shows a semiconductor cross-sectional structure of the
n型半導体領域56とp型アキュミュレーション領域57とp型半導体ウェル領域42とのより緑色光電変換手段となるフォトダイオードPDgが形成される。このフォトダイオードPDgは、基板表面の界面にp型アキュミュレーション領域57が形成された所謂HADセンサとして構成される。
The n-
p型半導体ウェル領域42には、フローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域58が形成される。そして、基板表面において緑色用フォトダイオードPDgを構成するn型半導体領域56とフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域58との間、すなわちn型半導体領域56に連続して基板表面に臨むチャネル領域59上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極60が形成された、転送用トランジスタTr1gが形成される。G画素73Bは前述と同様に素子分離領域54により隣接画素と分離される。
In the p-type
そして、各G画素73B上に平坦化膜を介してオンチップカラーフィルタのうち、緑(G)フィルタ76が形成される。
A green (G) filter 76 among the on-chip color filters is formed on each
このG画素73Bによれば、Gフィルタ76を透過した緑色光は中間の深さ領域に形成したフォトダイオードPDgで光電変換されてn型半導体領域56に信号電荷が蓄積される。信号読出し時には転送用トランジスタTr1gがオンして信号電荷がゲート電極60下のチャネル領域59を通してフローティング・ディフージョン(FD)となるn型半導体領域58に転送される。
According to the
なお、上述の実施の形態及び後述の実施の形態では、図示しないが、画素を構成するMOSトランジスタの上方に層間絶縁膜を介して多層配線が形成される。さらにオンチップレンズが形成される。 In the above-described embodiment and the embodiments described later, although not shown, a multilayer wiring is formed above the MOS transistor constituting the pixel via an interlayer insulating film. Furthermore, an on-chip lens is formed.
そして、上述の第1実施の形態、第2実施の形態に係る半導体イメージセンサは、同一画素からR信号とB信号を取出すことができるので、後述するように、R,G,Bの色信号を演算する演算式を簡略化することができ、後段の信号処理を高速化、簡略化し易い。 Since the semiconductor image sensors according to the first and second embodiments described above can extract the R signal and the B signal from the same pixel, as described later, the R, G, and B color signals. Can be simplified, and the signal processing at the subsequent stage can be speeded up and simplified easily.
次に、図7を用いて、上述の第1実施の形態及び第2実施の形態に係る半導体イメージセンサに適用される、R,G,Bの色信号を演算する演算式について説明する。本演算式は、Mg画素とG画素を用いた第2実施の形態の半導体イメージセンサに適用したが、第1実施の形態についても同様に適用できる。 Next, an arithmetic expression for calculating R, G, B color signals applied to the semiconductor image sensor according to the first and second embodiments will be described with reference to FIG. Although this arithmetic expression is applied to the semiconductor image sensor of the second embodiment using Mg pixels and G pixels, it can be similarly applied to the first embodiment.
ここで、本発明に係る演算式の説明に先立ち、本発明の演算式の理解を容易にするために、従来から広く用いられているベイヤ配列の場合の演算式について図24を用いて説明する。
図24にベイヤ式カラーフィルタを用いた半導体イメージセンサの要部を示す。このベイヤ式カラーフィルタの原理を示す。カラーフィルタの基本的なレイアウトは、撮像素子の左上が赤のフィルタで始まる。色情報は、4つの画素151〔151R,151Ga,151Gb,151B〕に囲まれた真ん中に仮想画素152を設ける。仮想画素152の周りの4つのフィルタ付き画素151は、緑(G)に画素(151Ga,151Gb)2つと、赤(R)の画素(151R)、青(B)の画素(151B)それぞれ1つで構成される。緑の占める割合が多いことがわかる。これは人間に視感度が緑に対して効率が良いためフィルタも余分に光を与えてバランス取っているためである。
Here, prior to the description of the arithmetic expression according to the present invention, in order to facilitate understanding of the arithmetic expression of the present invention, the arithmetic expression in the case of the Bayer array that has been widely used conventionally will be described with reference to FIG. .
FIG. 24 shows a main part of a semiconductor image sensor using a Bayer type color filter. The principle of this Bayer type color filter is shown. The basic layout of the color filter starts with a red filter at the top left of the image sensor. For the color information, a
図24の仮想画素152である中央の仮想画素Pxに注目してみる。仮想画素Pxの色情報PxG,PxR,PxBは、近傍の画素の色情報からマトリックス計算によって得られる。緑(G)は近傍の緑の画素G7 と画素G10を足して2で割る。赤(R)は赤の画素R11を優先してその周りの赤色情報も加味する。青(B)も赤と同様にする。このような形で任意のセルの色を特定して行く。演算式は次のようになる。
Attention is paid to the central virtual pixel Px which is the
PxG=(G7 +G10)/2
PxR=(9R11+3R3 +3R9 +R1)/16
PxB=(9B6 +3B8 +3B14+B16)/16
PxG = (G 7 + G 10 ) / 2
PxR = (9R 11 + 3R 3 + 3R 9 + R 1 ) / 16
PxB = (9B 6 + 3B 8 + 3B 14 + B 16 ) / 16
ここで、PxR,PxBの上記演算の詳細は次の通りである。
PxRについては、赤の画素R11と、青の画素B6,緑の画素G7,G10のそれぞれの周りの赤の画素との赤色情報を加味する。
R11
Ra(画素B6 の周りの赤色情報)=(R1 +R3+R9+R11)/4
Rb(画素G7 の周りの赤色情報)=(R3+R11)/2
Rc(画素G10の周りの赤色情報)=(R9+R11)/2
∴PxR=(Ra+Rb+Rc+R11)/4
=〔{(R1 +R3 +R9 +R11)/4}
+{(R3 +R11)/2}
+{(R9 +R11)/2}
+R11〕/4
=(R1 +R3 +R9 +R11+2R3+2R11+2R9+2R11
+4R11)/16
=(9R11+3R3+3R9 +R1)/16
Here, the details of the above calculation of PxR and PxB are as follows.
For PxR, it is taken into consideration with the red pixel R 11, blue pixels B 6, red information of the red pixels around each of the green pixel G 7, G 10.
R 11
Ra (red information around the pixel B6) = (R 1 + R 3 + R 9 + R 11 ) / 4
Rb (red information around the pixel G 7) = (R 3 + R 11) / 2
Rc (red information around the pixel G 10) = (R 9 + R 11) / 2
∴PxR = (Ra + Rb + Rc + R 11 ) / 4
= [{(R 1 + R 3 + R 9 + R 11 ) / 4}
+ {(R 3 + R 11 ) / 2}
+ {(R 9 + R 11 ) / 2}
+ R 11 ] / 4
= (R 1 + R 3 + R 9 + R 11 + 2R 3 + 2R 11 + 2R 9 + 2R 11
+ 4R 11 ) / 16
= (9R 11 + 3R 3 + 3R 9 + R 1 ) / 16
PxBについては、青の画素B6 と、緑の画素G7 ,G10のそれぞれの周りの青の画素との青色情報を加味する。
B6
Ba(画素R11の周りの青色情報)=(B6+B8+B14+B16)/4
Bb(画素G7 の周りの青色情報)=(B6 +B8)/2
Bc(画素G10の周りの青色情報)=(B6+B14)/2
∴PxB=(Ba+Bb+Bc+B6 )/4
=〔{(B6 +B8 +B14+B16)/4}
+{(B6 +B8 )/2}
{(B6 +B14)/2}
+B6 〕/4
=(B6 +B8 +B14+B16+2B6+2B8+2B6+2B14
+4B6 )/16
=(9B6 +3B8 +3B14+B16)/16
この演算の手法は、簡単に彩色できるという画期的な方法ではある。
For PxB, blue information of the blue pixel B 6 and the blue pixels around each of the green pixels G 7 and G 10 is added.
B 6
Ba (blue information around the pixel R 11) = (B 6 + B 8 +
Bb (blue information about the pixel G 7) = (B 6 + B 8) / 2
Bc (blue information around the pixel G 10) = (B 6 + B 14) / 2
∴PxB = (Ba + Bb + Bc + B 6 ) / 4
= [{(B 6 + B 8 + B 14 + B 16 ) / 4}
+ {(B 6 + B 8 ) / 2}
{(B 6 + B 14 ) / 2}
+ B 6 ] / 4
= (B 6 + B 8 + B 14 + B 16 + 2B 6 + 2B 8 + 2B 6 + 2B 14
+ 4B 6 ) / 16
= (9B 6 + 3B 8 + 3B 14 + B 16 ) / 16
This calculation method is an epoch-making method that allows easy coloring.
次に、本実施の形態の演算式を説明する。
まず、第2実施の形態(図4参照)の演算式について説明する。図7に示すように、水平、垂直の2×2の画素、すなわち2つのG画素と2つのMg画素に跨がる領域(4つの画素の交点領域)を仮想画素P1〜P9とする。今、2つのG画素〔画素G11とG22〕と2つのMg画素〔画素Mg12とMg21〕に跨がる仮想画素P5の緑(G),赤(R),青(B)の色信号GP5,RP5,BP5を演算する。
G11,G22はそれぞれ画素G11,G22の緑色成分信号、Mg12B,Mg21Bはそれぞれ画素Mg12,Mg21の青色成分信号、Mg12R,Mg21R はそれぞれ画素Mg12,Mg21の赤色成分信号とする。
Next, an arithmetic expression according to the present embodiment will be described.
First, the arithmetic expression of 2nd Embodiment (refer FIG. 4) is demonstrated. As shown in FIG. 7, horizontal and vertical 2 × 2 pixels, that is, regions (crossing regions of four pixels) extending over two G pixels and two Mg pixels are assumed to be virtual pixels P1 to P9. Now, the green (G), red (R), and blue (B) color signals G P5 of the virtual pixel P5 straddling the two G pixels [pixels G11 and G22] and the two Mg pixels [pixels Mg12 and Mg21]. , R P5 and B P5 are calculated.
G 11 and G 22 are the green component signals of the pixels G11 and G22, Mg 12B and Mg 21B are the blue component signals of the pixels Mg12 and Mg21, respectively, and Mg 12R and Mg 21R are the red component signals of the pixels Mg12 and Mg21, respectively.
仮想画素P5の緑(G),赤(R),青(B)の色信号GP5,RP5,BP5は、次の数1で示す演算式で求まる。 The green (G), red (R), and blue (B) color signals G P5 , R P5 , and B P5 of the virtual pixel P5 are obtained by an arithmetic expression represented by the following equation (1).
〔数1〕
GP5=(G11+G22)/2
RP5=(Mg21R +Mg12R )/2
BP5=(Mg21B +Mg12B )/2
[Equation 1]
G P5 = (G 11 + G 22 ) / 2
R P5 = (Mg 21R + Mg 12R ) / 2
B P5 = (Mg 21B + Mg 12B ) / 2
第1実施の形態(図1参照)の演算式について説明する。第1実施の形態では、図7におけるMgをR/Bに置き換える。すなわち、G11,G11,Mg12,Mg22を、G11,G22,R/B12,R/B22に置き換える。これによって、仮想画素P5の緑(G)、赤(R)、青(B)の色信号GP5,RP5,BP5は、次の数2で示す演算式で求まる。 The arithmetic expression of 1st Embodiment (refer FIG. 1) is demonstrated. In the first embodiment, Mg in FIG. 7 is replaced with R / B. That is, G11, G11, Mg12, and Mg22 are replaced with G11, G22, R / B12, and R / B22. As a result, the green (G), red (R), and blue (B) color signals G P5 , R P5 , and B P5 of the virtual pixel P5 are obtained by an arithmetic expression represented by the following equation (2).
〔数2〕
GP5=(G11+G22)/2
RP5=(R/B21R +R/B12R )/2
BP5=(R/B21B +R/B12B )/2
[Equation 2]
G P5 = (G 11 + G 22 ) / 2
R P5 = (R / B 21R + R / B 12R ) / 2
B P5 = (R / B 21B + R / B 12B ) / 2
このように、本発明の第1、第2実施の形態では、同一画素からR信号、B信号を取出すことができるので、数2、数1に示すようにR,G,Bの色信号の演算式を簡略化することができる。これによって、後段の信号処理を高速化、簡略化し易くなる。 As described above, in the first and second embodiments of the present invention, the R signal and the B signal can be extracted from the same pixel. The arithmetic expression can be simplified. This facilitates speeding up and simplifying subsequent signal processing.
さらに、第1実施の形態に係る半導体イメージセンサ31によれば、第1画素(R/B画素)と第2画素(G画素)の配列で撮像領域が形成されるので、画素1つ1つの受光面積を広くとることができ、感度を向上することができる。
第1画素33A及び第2画素33Bを構成するフォトダイオードPDb,PDr,PDgがHAD構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、R/B画素33Aにおいて、リセット動作を行っても、赤(R)、青(B)の電荷蓄積領域であるn型半導体領域44、43にノイズがのることはない。したがって、S/Nが向上する。
Furthermore, according to the semiconductor image sensor 31 according to the first embodiment, the imaging region is formed by the arrangement of the first pixel (R / B pixel) and the second pixel (G pixel). The light receiving area can be increased, and the sensitivity can be improved.
Since the photodiodes PDb, PDr, and PDg constituting the
第1画素33A、第2画素33Bにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するn型半導体領域43、44、56の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。
The
また、第2実施の形態の半導体イメージセンサ70によれば、G画素とMg画素の配列で撮像領域が形成されるので、画素1つ1つの受光面積を広くとることができ、感度を向上することができる。
Mg画素73A及びG画素73Bを構成するフォトダイオードPDb,PDr,PDgがHAD構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、Mg画素73Aにおいて、リセット動作を行っても、赤(R)、青(B)の電荷蓄積領域であるn型半導体領域44、43にノイズがのることはない。したがって、S/Nが向上する。Mg画素73A、G画素73Bにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するn型半導体領域43、44、56の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。
Further, according to the semiconductor image sensor 70 of the second embodiment, since the imaging region is formed by the arrangement of the G pixel and the Mg pixel, the light receiving area of each pixel can be widened, and the sensitivity is improved. be able to.
Since the photodiodes PDb, PDr, and PDg constituting the
補色フィルタであるマゼンタ(Mg)と原色フィルタである緑(G)の2色のオンチップカラーフィルタを用いることにより、原色フィルタを用いるフォトダイオードの場合よりも、光がフィルタに吸収されることを抑えることができるので、感度が低下しない。検出するセンサ、すなわちフォトダイオードの断面構造は、オンチップカラーフィルタ無しの第1実施の形態と概ね同じであるが、オンチップカラーフィルタを用いているので、n型半導体領域の深さの幅をラフに設計できる。例えば前述したように、緑色光の光電変換領域となるn型半導体領域56の深さの幅は0.1μm〜2.5μmの幅で形成でき、青色光の光電変換領域となるn型半導体領域43の深さの幅は0.1〜0.8μmの幅で形成でき、赤色光の光電変換領域となるn型半導体領域44の幅は0.8〜2.5μmの幅で形成することができる。カラーフィルタを形成するときは、所望の色信号を確実に分離できる。
By using two on-chip color filters, magenta (Mg), which is a complementary color filter, and green (G), which is a primary color filter, light is absorbed by the filter compared to a photodiode using a primary color filter. Since it can be suppressed, the sensitivity does not decrease. The cross-sectional structure of the sensor to be detected, that is, the photodiode is substantially the same as that of the first embodiment without the on-chip color filter. However, since the on-chip color filter is used, the width of the depth of the n-type semiconductor region is reduced. Roughly designed. For example, as described above, the n-
第1実施の形態及び第2実施の形態においては、斜めに連続する第1画素間を結ぶ直線と第2画素間を結ぶ交点領域を仮想画素33i,73iとし、仮想画素33i,73iの色信号を演算する演算式が数2、数1によって示された。
以下に、仮想画素を設定しないで、画素のR,G,Bの色信号を演算する演算式を用いた半導体イメージセンサについて説明する。
In the first embodiment and the second embodiment, the intersection area connecting the straight line connecting the first pixels that are obliquely connected to the second pixel is the
A semiconductor image sensor using an arithmetic expression for calculating R, G, B color signals of pixels without setting virtual pixels will be described below.
図8及び9を用いて、本発明の第3実施の形態に係る半導体イメージセンサについて説明する。
図8,9は、本実施形態の説明の為に、第1実施の形態における半導体イメージセンサ31を構成する撮像領域34を抜き出して示したものである。その他の構成は、図1と同様であるから重複説明を省略する。
本実施形態における半導体イメージセンサは第1実施の形態における半導体イメージセンサと同様の構成であるが、半導体イメージセンサに用いられる画素の色信号を演算する演算式が異なるものである。
A semiconductor image sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIGS. 8 and 9 show the
The semiconductor image sensor according to the present embodiment has the same configuration as that of the semiconductor image sensor according to the first embodiment, but has different arithmetic expressions for calculating the color signals of pixels used in the semiconductor image sensor.
まず、本実施の形態において、第1画素33Aの色信号を演算する演算式について説明する。
図8に示すように、第2画素33Bを構成するG画素である画素G23を中心とし、画素G23に対して上下左右に位置するR/B画素を、画素R/B13、画素R/B33、画素R/B22、画素R/B24、斜めに隣接するG画素を画素G12,画素G14,画素G32,画素G34とする。
ここで、画素G12,G14,G23,G32,G34の緑色成分信号をG12,G14,G23,G32,G34とし、画素R/B13,R/B22,R/B24,R/B33の赤色成分信号をR/B13R,R/B22R,R/B24R,R/B33R、青色成分信号をR/B13B,R/B22B,R/B24B,R/B33Bとする。
First, in the present embodiment, an arithmetic expression for calculating the color signal of the
As shown in FIG. 8, R / B pixels located at the top, bottom, left, and right with respect to the pixel G23 around the pixel G23 that is the G pixel constituting the
Here, the pixel G12, G14, G23, G32, the green component signal of the G34 and G 12, G 14, G 23 ,
画素G23の、緑(G)、赤(R)、青(B)の色信号Gg23,Rg23,Bg23は、次の数3〜数5で示す演算式で求まる。
まず、画素G23の上下の画素を演算式に用いた場合は、数2で示す演算式となる。
The green (G), red (R), and blue (B) color signals G g23 , R g23 , and B g23 of the pixel G23 are obtained by the following arithmetic expressions.
First, when the upper and lower pixels of the pixel G23 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数3〕
Gg23=G23
Rg23=(R/B13R+R/B33R)/2
Bg23=(R/B13B+R/B33B)/2
[Equation 3]
G g23 = G 23
R g23 = (R / B 13 R + R / B 33 R) / 2
B g23 = (R / B 13 B + R / B 33 B) / 2
また、画素G23の左右の画素を演算式に用いた場合は、数3で示す演算式となる。
Further, when the left and right pixels of the pixel G23 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数4〕
Gg23=G23
Rg23=(R/B22R+R/B24R)/2
Bg23=(R/B22B+R/B24B)/2
[Equation 4]
G g23 = G 23
R g23 = (R / B 22 R + R / B 24 R) / 2
B g23 = (R / B 22 B + R / B 24 B) / 2
また、画素G23の上下左右の画素を演算式に用いた場合、数4で示す演算式となる。
Further, when the upper, lower, left, and right pixels of the pixel G23 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数5〕
Gg23=G23
Rg23=(R/B13R+R/B33R+R/B22R+R/B24R)/4
Bg23=(R/B13B+R/B33B+R/B24B+R/B24B)/4
[Equation 5]
G g23 = G 23
R g23 = (R / B 13 R + R / B 33 R + R / B 22 R + R / B 24 R) / 4
B g23 = (R / B 13 B + R / B 33 B + R / B 24 B + R / B 24 B) / 4
次に、本実施の形態において、第1画素33Aの色信号を演算する演算式について説明する。図9に示すように、第1画素33Aを構成するR/B画素である画素R/B22を中心とし、画素R/B22に対して上下左右に位置する第1画素33AであるG画素を、画素G12、G32、G21、G23、斜めに隣接する第2画素33BであるR/B画素を画素R/B11,R/B13,R/B31,R/B33とする。
ここで、画素G12,G21,G23,G32の緑色成分信号をG12,G21,G23,G32とし、画素R/B11,R/B13,R/B22,R/B31,R/B33の赤色成分信号をR/B11R,R/B13R,R/B22R,R/B31R,R/B33R、青色成分信号をR/B11B,R/B13B,R/B22B,R/B31B,R/B33Bとする。
Next, an arithmetic expression for calculating the color signal of the
Here, the green component signal of the pixel G12, G21, G23, G32 and G 12, G 21, G 23 ,
画素R/B22の、緑(G)、赤(R)、青(B)の色信号Grb22,Rrb22,Brb22は、次の数6〜数8で示す演算式で求まる。
まず、画素R/B22の上下の画素を演算式に用いた場合は、数6で示す演算式となる。
The green (G), red (R), and blue (B) color signals G rb22 , R rb22 , and B rb22 of the pixel R / B 22 are obtained by the following arithmetic expressions (6 to 8).
First, when the upper and lower pixels of the pixel R / B 22 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in Expression 6 is obtained.
〔数6〕
Grb22=(G12+G32)/2
Rrb22=R/B22R
Brb22=R/B22B
[Equation 6]
G rb22 = (G 12 + G 32 ) / 2
R rb22 = R / B 22 R
B rb22 = R / B 22 B
また、画素R/B22の左右の画素を演算式に用いた場合は、数7で示す演算式となる。 Further, when the left and right pixels of the pixel R / B 22 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in Expression 7 is obtained.
〔数7〕
Grb22=(G21+G23)/2
Rrb22=R/B22R
Brb22=R/B22B
[Equation 7]
G rb22 = (G 21 + G 23 ) / 2
R rb22 = R / B 22 R
B rb22 = R / B 22 B
また、画素R/B22の上下左右の画素を演算式に用いた場合は、数8で示す演算式となる。
In addition, when the upper, lower, left, and right pixels of the pixel R / B 22 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数8〕
Grb22=(G12+G32+G21+G23)/4
Rrb22=R/B22R
Brb22=R/B22B
[Equation 8]
G rb22 = (G 12 + G 32 + G 21 + G 23 ) / 4
R rb22 = R / B 22 R
B rb22 = R / B 22 B
このように、第3実施の形態では、信号を取り出す画素を上下又は/及び左右で選択することができ、最適な演算式によって画素を演算することができる。
また、第3実施の形態では、同一画素からR信号、B信号を取り出すことができるので、数3〜数8に示すように、R,G,Bの色信号の演算式を簡略化することができる。これによって、後段の信号処理を高速化、簡略化し易くなる。
また、演算式が簡略化されるので、画素に欠陥がある場合でも、その欠陥画素におけるR,G,Bの色信号を補完する演算式も容易になる。
As described above, in the third embodiment, a pixel from which a signal is extracted can be selected up and down or / and left and right, and the pixel can be calculated using an optimal calculation formula.
In the third embodiment, since the R signal and the B signal can be extracted from the same pixel, the arithmetic expressions of the R, G, and B color signals can be simplified as shown in Equations (3) to (8). Can do. This facilitates speeding up and simplifying subsequent signal processing.
Further, since the arithmetic expression is simplified, even when the pixel has a defect, the arithmetic expression for complementing the R, G, B color signals in the defective pixel becomes easy.
次に、図10,11を用いて、本発明の第4実施の形態に係る半導体イメージセンサについて説明する。
図10,11は、本実施形態の説明の為に、第2実施の形態における半導体イメージセンサを構成する撮像領域34を抜き出して図示したものである。その他の構成は、図4と同様であるから重複説明を省略する。
本実施形態における半導体イメージセンサは第2実施の形態における半導体イメージセンサと同様の構成であるが、半導体イメージセンサに用いられる画素の色信号を演算する演算式が異なるものである。
Next, a semiconductor image sensor according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIGS. 10 and 11 illustrate the
The semiconductor image sensor in the present embodiment has the same configuration as that of the semiconductor image sensor in the second embodiment, but the calculation formula for calculating the color signal of the pixel used in the semiconductor image sensor is different.
まず、本実施の形態において、第1画素の色信号を演算する演算式について説明する。
図10に示すように、第2画素を構成するG画素である画素G23を中心とし、画素G23に対して上下左右に位置するMg画素を、画素Mg13、画素Mg33、画素Mg22、画素Mg24、斜めに隣接するG画素を画素G12,画素G14,画素G32,画素G34とする。
ここで、画素G12,G14,G23,G32,G34の緑色成分信号をG12,G14,G23,G32,G34とし、画素Mg13,Mg22,Mg24,Mg33の赤色成分信号をMg13R,Mg22R,Mg24R,Mg33R、青色成分信号をMg13B,Mg22B,Mg24B,Mg33Bとする。
First, in the present embodiment, an arithmetic expression for calculating the color signal of the first pixel will be described.
As shown in FIG. 10, the Mg pixel located at the top, bottom, left, and right with respect to the pixel G23 centered on the pixel G23 that constitutes the second pixel is the pixel Mg13, the pixel Mg33, the pixel Mg22, the pixel Mg24, G pixels adjacent to the pixel G12 are referred to as a pixel G12, a pixel G14, a pixel G32, and a pixel G34.
Here, the pixel G12, G14, G23, G32, the green component signal of the G34 and G 12, G 14, G 23 ,
画素G23の、緑(G)、赤(R)、青(B)の色信号Gg23,Rg23,Bg23は、次の数9〜数11で示す演算式で求まる。
まず、画素G23の上下の画素を演算式に用いた場合は、数9で示す演算式となる。
The green (G), red (R), and blue (B) color signals G g23 , R g23 , and B g23 of the pixel G23 are obtained by the following arithmetic expressions.
First, when the pixels above and below the pixel G23 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数9〕
Gg23=G23
Rg23=(Mg13R+Mg33R)/2
Bg23=(Mg13B+Mg33B)/2
[Equation 9]
G g23 = G 23
R g23 = (Mg 13 R + Mg 33 R) / 2
B g23 = (Mg 13 B + Mg 33 B) / 2
また、画素G23の左右の画素を演算式に用いた場合は、数10で示す演算式となる。
Further, when the left and right pixels of the pixel G23 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数10〕
Gg23=G23
Rg23=(Mg22R+Mg24R)/2
Bg23=(Mg22B+Mg24B)/2
[Equation 10]
G g23 = G 23
R g23 = (Mg 22 R + Mg 24 R) / 2
B g23 = (Mg 22 B + Mg 24 B) / 2
また、画素G23の上下左右の画素を演算式に用いた場合、数11で示す演算式となる。
Further, when the upper, lower, left, and right pixels of the pixel G23 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数11〕
Gg23=G23
Rg23=(Mg13R+Mg33R+Mg22R+Mg24R)/4
Bg23=(Mg13B+Mg33B+Mg24B+Mg24B)/4
[Equation 11]
G g23 = G 23
R g23 = (Mg 13 R + Mg 33 R + Mg 22 R + Mg 24 R) / 4
B g23 = (Mg 13 B + Mg 33 B + Mg 24 B + Mg 24 B) / 4
次に、本実施の形態において、第1画素の色信号を演算する演算式について説明する。図11に示すように、第1画素を構成するMg画素である画素Mg22を中心とし、画素Mg22に対して上下左右に位置する第1画素であるG画素を、画素G12,G32,G21,G23、斜めに隣接する第2画素であるMg画素を画素Mg11,Mg13,Mg31,Mg33とする。
ここで、画素G12,G21,G23,G32の緑色成分信号をG12,G21,G23,G32とし、画素Mg11,Mg13,Mg22,Mg31,Mg33の赤色成分信号をMg11R,Mg13R,Mg12R,Mg31R,Mg33R、青色成分信号をMg11B,Mg13B,Mg22B,Mg31B,Mg33Bとする。
Next, an arithmetic expression for calculating the color signal of the first pixel in this embodiment will be described. As shown in FIG. 11, the pixels G12, G32, G21, and G23 are pixels G12, G32, G21, and G23 that are centered on the pixel Mg22 that constitutes the first pixel, and that are the first pixels that are positioned vertically and horizontally with respect to the pixel Mg22. The Mg pixels that are the second pixels obliquely adjacent to each other are designated as pixels Mg11, Mg13, Mg31, and Mg33.
Here, the pixel G12, G21, G23, the green component signal of the G32 and G 12, G 21, G 23 ,
画素Mg22の、緑(G)、赤(R)、青(B)の色信号GMg22,RMg22,BMg22は、次の数12〜数14で示す演算式で求まる。
まず、画素Mg22の上下の画素を演算式に用いた場合は、数12で示す演算式となる。
The green (G), red (R), and blue (B) color signals G Mg22 , R Mg22 , and B Mg22 of the pixel Mg22 are obtained by the following arithmetic expressions (12 to 14).
First, when the upper and lower pixels of the pixel Mg22 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数12〕
GMg22=(G12+G32)/2
RMg22=Mg22R
BMg22=Mg22B
[Equation 12]
G Mg22 = (G 12 + G 32 ) / 2
R Mg22 = Mg 22 R
B Mg22 = Mg 22 B
また、画素Mg22の左右の画素を演算式に用いた場合は、数13で示す演算式となる。
Further, when the left and right pixels of the pixel Mg22 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数13〕
GMg22=(G21+G23)/2
RMg22=Mg22R
BMg22=Mg22B
[Equation 13]
G Mg22 = (G 21 + G 23 ) / 2
R Mg22 = Mg 22 R
B Mg22 = Mg 22 B
また、画素Mg22の上下左右の画素を演算式に用いた場合は、数14で示す演算式なる。
Further, when the upper, lower, left, and right pixels of the pixel Mg22 are used in the arithmetic expression, the arithmetic expression shown in
〔数14〕
GMg22=(G12+G32+G21+G23)/4
RMg22=Mg22R
BMg22=Mg22B
[Formula 14]
G Mg22 = (G 12 + G 32 + G 21 + G 23) / 4
R Mg22 = Mg 22 R
B Mg22 = Mg 22 B
このように、第4実施の形態では、信号を取り出す画素を上下又は/及び左右で選択することができ、最適な演算式によって画素を演算することができる。
また、第4実施の形態では、同一画素からR信号、B信号を取り出すことができるので、数9〜数14に示すように、R,G,Bの色信号の演算式を簡略化することができる。これによって、後段の信号処理を高速化、簡略化し易くなる。
また、演算式が簡略化されるので、画素に欠陥がある場合でも、その欠陥画素におけるR,G,Bの色信号を補完する演算式も容易になる。
As described above, in the fourth embodiment, a pixel from which a signal is extracted can be selected up and down or / and left and right, and the pixel can be calculated using an optimal calculation formula.
In the fourth embodiment, since the R signal and the B signal can be extracted from the same pixel, the arithmetic expressions of the R, G, and B color signals can be simplified as shown in the
Further, since the arithmetic expression is simplified, even when the pixel has a defect, the arithmetic expression for complementing the R, G, B color signals in the defective pixel becomes easy.
図12〜図16に、本発明の第5実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるCMOSイメージセンサの概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、隣合う画素のフローティング・ディフージョン(FD)を共有し、且つオンチップカラーフィルタを用いないで色分離する例である。なお、同図において、図1〜図3に対応する部分には同一符号を付して示す。 12 to 16 show a schematic configuration of a semiconductor image sensor according to the fifth embodiment of the present invention, a so-called CMOS image sensor. The semiconductor image sensor according to the present embodiment is an example in which floating diffusion (FD) of adjacent pixels is shared and color separation is performed without using an on-chip color filter. In the figure, parts corresponding to those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals.
本実施の形態に係る半導体イメージセンサ80は、図12に示すように、前述の実施の形態と同様に、同一半導体基板32の表面上に形成した、複数の画素83を2次元的に配列した受光領域となる撮像領域34と、この撮像領域34の外側に配置した画素83の選択と信号出力のために周辺回路35、36とを備えて成る。一方の周辺回路35は、撮像領域の側辺に位置する垂直走査回路(いわゆる垂直レジスタ回路)にて構成される。他方の周辺回路36は、撮像領域34の下側に位置する水平走査回路(いわゆる水平レジスタ回路)及び出力回路等(信号増幅回路、A/D変換回路、同期信号発生回路等を含む)にて構成される。
As shown in FIG. 12, in the
撮像領域34では、複数の画素83が垂直及び水平方向に配列される。すなわち、複数の画素83は、2次元的に水平方向、垂直方向それぞれに所定ピッチW1、W2で略格子状に配置され、同一画素から異なる原色の複数の色成分信号、本例では2つの色成分信号を分離して検出する第1画素83Aと、さらに異なる原色の色成分信号、本例で1つの色成分信号を検出する第2画素83Bが水平方向に交互に且つ垂直方向にも交互に(いわゆる市松模様状に)配列される。
In the
第1画素83Aは、1つの画素構造内に2つの原色光、本例では青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードが積層された構造を有する。この第1画素83Aは、いわゆる赤/青色(R/B)画素に相当する。第2画素83Bは、1つの画素構造内に1つの色光、本例では緑色光を光電変換する1つのフォトダイオードが形成された構造を有する。この第2画素83Bは、いわゆる緑色(G)画素に相当する。
The
そして、本実施の形態においては、上記市松模様状に配置されて斜めに連続する隣合う2つの第1画素83Aのフローティング・ディフージョン(FD)を共有して構成される。この場合は後述で明らかとなるように、一方の隣合う2つの第1画素は例えば赤の信号電荷の転送に用いられるフローティング・ディフージョンFD2を共有し、他方の隣合う2つの第2画素は例えば青の信号電荷の転送に用いられるフローティング・ディフージョンFD3を共有して構成される。
また、上記市松模様状に配置されて斜めに連続する2つ1組とする第2画素(G画素)83Bのフローティング・ディフージョン(FD)を共有して構成される。すなわち、この場合は後述で明らかとなるように、斜めに連続する第2画素83Bにおいて、隣合う第2画素が一つ置きにフローティング・ディフージョンFD1を共有して構成される。
In the present embodiment, the floating diffusion (FD) of two adjacent
In addition, the floating diffusion (FD) of the second pixel (G pixel) 83 </ b> B arranged in a checkered pattern and arranged in a diagonally continuous pair is shared. That is, in this case, as will be described later, in the
この撮像領域34では、第1及び第2実施の形態と同様に、図示しないが、上記市松模様状に配置されて斜めに連続する赤/青色画素(R/B)83A間を結ぶ直線と、市松模様状に配置されて上記斜め方向と交差する方向に斜めに連続する緑色画素(G)83B間を結ぶ直線との交点に仮想画素が形成される。
In the
図15は、図12における斜めに連続する第1画素(R/B)83Aを拡大した要部の概略平面図である。図16に、図15のB−B線上における第1画素(R/B画素)83Aの半導体断面構造を示す。図15においては、斜めに連続する隣り合う2つの画素が1つのフローティング・ディフージョンFD2,FD3を共有している。すなわち、斜めに連続する隣り同志の第1画素である画素R/B14と画素R/B23,画素R/B23と画素R/B32,画素R/B32と画素R/B41がそれぞれ交互に共有するフローティング・ディフージョンFD2,FD3を挟んで配置されると共に、それぞれのフォトダイオードとフローティング・ディフージョンFD2,FD3との間にそれぞれ転送ゲート電極50,52が形成される。
FIG. 15 is a schematic plan view of an essential part of an enlarged first pixel (R /
図16において、1つの第1画素(R/B画素)83Aの構成については概ね前述の図3と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。 In FIG. 16, the configuration of one first pixel (R / B pixel) 83A is substantially the same as that of FIG. 3 described above.
本実施の形態では、図16に示すように、斜めに連続する隣り合う2つの第1画素である画素R/B14及び画素R/B23、画素R/B23及び画素R/B32、画素R/B32及び画素R/B41、すなわち夫々のフォトダイオードPDr及び転送ゲート電極52同志、フォトダイオードPDb及び転送ゲート電極50同志が共有するフローティング・ディフージョンFD2、FD3を挟んで対称関係に形成される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 16, two adjacent first pixels R / B14 and R / B23, R / B23 and R / B32, and R / B32 that are adjacent to each other, which are diagonally continuous. And the pixel R /
この2つの隣り合う第1画素、例えば画素R/B14及び画素R/B23ではそれぞれフォトダイオードPDrで光電変換されて蓄積された赤色の信号電荷が、所要のタイミグ差を置いて、それぞれ転送ゲート電極52をオンして共有するフローティング・ディフージョンFD2に転送される。また、例えば画素R/B23及び画素R/B32ではそれぞれフォトダイオードPDbで光電変換されて蓄積された青色の信号電荷が、所要のタイミング差を置いて、それぞれ転送ゲート電極50をオンして共有するフローティング・ディフージョンFD3に転送される。以下同様である。
In the two adjacent first pixels, for example, the pixel R / B14 and the pixel R / B23, the red signal charges that are photoelectrically converted and accumulated by the photodiode PDr are respectively transferred to the transfer gate electrodes with a predetermined timing difference. 52 is transferred to the shared floating diffusion FD2. Further, for example, in the pixel R / B 23 and the pixel R /
図13は、図12における斜めに連続する第2画素(G画素)83Bを拡大した要部の概略平面図である。図14に、図13のA−A線上における第2画素(G画素)83Bの半導体断面構造を示す。図13においては、斜めに連続する隣合う2つの第2画素83Bを1組として各組の2つの第2画素83Bが1つのフローティング・ディフージョンFD1を共有している。すなわち、フローティング・ディフージョンFD1を挟んで2つの第2画素83Bのフォトダイオードが配置されると共に、各フォトダイオードとフローティング・ディフージョンFD1との間にそれぞれ転送トランジスタのゲート電極(いわゆる転送ゲート電極)60が形成される。
FIG. 13 is a schematic plan view of a main part in which the second pixels (G pixels) 83B that are obliquely continuous in FIG. 12 are enlarged. FIG. 14 shows a semiconductor cross-sectional structure of the second pixel (G pixel) 83B on the AA line in FIG. In FIG. 13, two adjacent
図14において、1つの第2画素(G画素)83Bの構成については概ね前述の図2と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。 In FIG. 14, the configuration of one second pixel (G pixel) 83B is substantially the same as that of FIG. 2 described above, and therefore, the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
本実施の形態では、図14に示すように、斜めに連続する隣り合う2つの第2画素83B(すなわち画素G24)及び第2画素83B(すなわち画素G33)、すなわち夫々のフォトダイオードPDg及び転送ゲート電極60が共有するフローティング・ディフージョンFD1を挟んで対称関係に形成される。同様に、斜めに連続する隣り合う2つの第2画素83B(すなわち画素G42)及び第2画素83B(すなわち画素G51)が共有するフローティング・ディフージョンFD1を挟んで対称関係に形成される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 14, two adjacent
この2つ1組の第2画素83B、例えば画素G24及び画素G33では、それぞれのフォトダイオードPDgで光電変換されて蓄積された信号電荷が、所要にタイミング差を置いて、それぞれ転送ゲート電極60をオンして共有するフローティング・ディフージョンFD1に転送される。
In this pair of
図17〜図21に、本発明の第6実施の形態に係る半導体イメージセンサ、いわゆるCMOSイメージセンサの概略構成を示す。本実施の形態の半導体イメージセンサは、補色と原色からなるオンチップカラーフィルタを用いて色分離する例である。本例のオンチップカラーフィルタは、補色フィルタであるマゼンタ(Mg)フィルタと、原色フィルタである緑色(G)フィルタの2色のオンチップカラーフィルタが用いられる。なお、第4実施の形態では、図4〜図6の第2実施の形態と対応する部分は同一符号を付して説明する。 17 to 21 show a schematic configuration of a semiconductor image sensor according to the sixth embodiment of the present invention, a so-called CMOS image sensor. The semiconductor image sensor of this embodiment is an example in which color separation is performed using an on-chip color filter composed of complementary colors and primary colors. As the on-chip color filter of this example, two colors of on-chip color filters, a magenta (Mg) filter that is a complementary color filter and a green (G) filter that is a primary color filter, are used. In the fourth embodiment, parts corresponding to those in the second embodiment in FIGS. 4 to 6 are described with the same reference numerals.
本実施の形態に係る半導体イメージセンサ90は、オンチップカラーフィルタを除いて、図12と同様に構成される。すなわち、本実施の形態に係る半導体イメージセンサ90は、同一の半導体基板32の表面上に形成した複数の画素93を2次元的に配列した受光領域となる撮像領域34と、この撮像領域34の外側に配置した画素93の選択と信号出力のための周辺回路35、36を備えて成る。一方の周辺回路35は、撮像領域34の側辺に位置する垂直走査回路(いわゆる垂直レジスタ回路)にて構成される。他方の周辺回路36は、撮像領域34の下側に位置する水平走査回路(いわゆる水平レジスタ回路)及び出力回路等(信号増幅回路、A/D変換回路、同期信号発生回路等を含む)にて構成される。
The
撮像領域34では、複数の画素93が垂直及び水平方向に配列される。すなわち、複数の画素93は、2次元的に水平方向、垂直方向それぞれに所定ピッチW1、W2で略格子状に配置され、同一画素から異なる原色の複数の色成分信号、本例では2つの色成分信号を分離して検出する第1画素93Aと、さらに異なる原色の色成分信号、本例で1つの色成分信号を検出する第2画素93Bが水平方向に交互に且つ垂直方向にも交互に(いわゆる市松模様状)配列される。そして、撮像領域34上には、第1画素93Aに補色フィルタである例えばマゼンタ(Mg)フィルタが対応し、第2画素93Bに原色フィルタである例えば緑(G)フィルタが対応するように、MgフィルタとGフィルタの2色のオンチップカラーフィルタが配置される。
In the
第1画素(いわゆる補色画素:以下Mg画素という)93Aは、1つの画素構造内に2つの原色光、本例では青色光と赤色光をそれぞれ分離して光電変換する2つのフォトダイオードが積層された構造を有する。第2画素(いわゆる原色画素:以下G画素という)93Bは、1つの画素構造内に1つの色光、本例では緑色光を光電変換する1つのフォトダイオードが形成された構造を有する。 The first pixel (so-called complementary color pixel: hereinafter referred to as Mg pixel) 93A has two photodiodes that separate and photoelectrically convert two primary color lights, blue light and red light in this example, in one pixel structure. Has a structure. The second pixel (so-called primary color pixel: hereinafter referred to as G pixel) 93B has a structure in which one photodiode for photoelectrically converting one color light, in this example, green light, is formed in one pixel structure.
そして、本実施の形態においては、上記市松模様状に配置されて斜めに連続する隣合う2つの第1画素93Aのフローティング・ディフージョン(FD)を共有して構成される。この場合は後述で明らかとなるように、一方の隣合う2つの第1画素は例えば赤の信号電荷の転送に用いられるフローティング・ディフージョンFD2を共有し、他方の隣合う2つの第2画素は例えば青の信号電荷の転送に用いられるフローティング・ディフージョンFD3を共有して構成される。
また、上記市松模様状に配置されて斜めに連続する2つ1組とする第2画素(G画素)93Bのフローティング・ディフージョン(FD)を共有して構成される。すなわち、この場合は後述で明らかとなるように、斜めに連続する第2画素93Bにおいて、隣合う第2画素が一つ置きにフローティング・ディフージョンFD1を共有して構成される。
In the present embodiment, the floating diffusion (FD) of two adjacent
Also, the floating diffusion (FD) of the second pixels (G pixels) 93B arranged in a checkered pattern and arranged in a diagonally continuous pair is configured. That is, in this case, as will be described later, in the
この撮像領域34では、前述と同様に図示しないが、上記市松模様状に配置されて斜めに連続する補色画素(Mg画素)83A間を結ぶ直線と、市松模様状に配置されて上記斜め方向と交差する方向に斜めに連続する緑色画素(G画素)93B間を結ぶ直線との交点に仮想画素が形成される。
Although not shown in the
図20は、図17における斜めに連続する第1画素(Mg画素)93Aを拡大した要部の概略平面図である。図21に、図20のB−B線上における第1画素(Mg画素)93Aの半導体断面構造を示す。図20においては、斜めに連続する隣り合う2つの第1画素が1つのフローティング・ディフージョンFD2,FD3を共有している。すなわち、斜めに連続する隣り同志の第1画素である画素Mg14と画素Mg23,画素Mg23と画素Mg32,画素Mg32と画素Mg41がそれぞれ交互に共有するフローティング・ディフージョンFD2,FD3を挟んで配置されると共に、それぞれのフォトダイオードとフローティング・ディフージョンFD2,FD3との間にそれぞれ転送ゲート電極50、52が形成される。
FIG. 20 is a schematic plan view of a main part in which the first pixels (Mg pixels) 93A that are obliquely continuous in FIG. 17 are enlarged. FIG. 21 shows a semiconductor cross-sectional structure of the first pixel (Mg pixel) 93A on the BB line in FIG. In FIG. 20, two adjacent first pixels that are obliquely continuous share one floating diffusion FD2, FD3. That is, pixels Mg14 and Mg23, which are diagonally adjacent first pixels, pixel Mg23 and pixel Mg32, and pixel Mg32 and pixel Mg41 are arranged sandwiching floating diffusions FD2 and FD3 that are alternately shared. At the same time,
図21において、1つの第1画素(Mg画素)93Aの構成については概ね前述の図6と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。 In FIG. 21, the configuration of one first pixel (Mg pixel) 93A is substantially the same as that of FIG. 6 described above, and therefore the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
本実施の形態では、図21に示すように、斜めに連続する隣り合う2つの第1画素である画素Mg14及び画素Mg23、画素Mg23及び画素Mg32、画素Mg32及び画素Mg41、すなわち夫々のフォトダイオードPDr及び転送ゲート電極同志52、フォトダイオードPDb及び転送ゲート電極50同志が共有するフローティング・ディフージョンFD2、FD3を挟んで対称関係に形成される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 21, two adjacent first pixels that are obliquely adjacent, the pixel Mg14 and the pixel Mg23, the pixel Mg23 and the pixel Mg32, the pixel Mg32 and the pixel Mg41, that is, the respective photodiodes PDr. Further, the floating
この2つの隣り合う第1画素、例えば画素Mg14及び画素Mg23ではそれぞれフォトダイオードPDrで光電変換されて蓄積された赤色の信号電荷が、所要のタイミング差を置いて、それぞれ転送ゲート電極52をオンして共有するフローティング・ディフージョンFD2に転送される。また、例えば画素Mg23及び画素Mg32ではそれぞれフォトダイオードPDbで光電変換されて蓄積された青色の信号電荷が、所要のタイミング差を置いて、それぞれ転送ゲート電極50をオンして共有するフローティング・ディフージョンFD3に転送される。以下同様である。
In these two adjacent first pixels, for example, the pixel Mg14 and the pixel Mg23, the red signal charges accumulated by photoelectric conversion by the photodiode PDr respectively turn on the
図18は、図17における斜めに連続する第2画素(G画素)93Bを拡大した要部の概略平面図である。図19に、図18のA−A線上における第2画素(G画素)93Bの半導体断面構造を示す。図18においては、斜めに連続する隣合う2つの第2画素93Bを1組として各組の2つの第2画素93Bが1つのフローティング・ディフージョンFD1を共有している。すなわち、フローティング・ディフージョンFD1を挟んで2つの第2画素93Bのフォトダイオードが配置されると共に、各フォトダイオードとフローティング・ディフージョンFD1との間にそれぞれ転送トランジスタのゲート電極(いわゆる転送ゲート電極)60が形成される。
FIG. 18 is a schematic plan view of an essential part of an enlarged second pixel (G pixel) 93B that is obliquely continuous in FIG. FIG. 19 shows a semiconductor cross-sectional structure of the second pixel (G pixel) 93B on the AA line in FIG. In FIG. 18, two adjacent
図19において、1つの第2画素(G画素)93Bの構成については概ね前述の図5と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。 In FIG. 19, the configuration of one second pixel (G pixel) 93 </ b> B is generally the same as that of FIG. 5 described above, and therefore the corresponding parts are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
本実施の形態では、図19に示すように、斜めに連続する隣り合う2つの第2画素93B(すなわち画素G24)及び第2画素83B(すなわち画素G33)、すなわち夫々のフォトダイオードPDg及び転送ゲート電極が共有するフローティング・ディフージョンFD1を挟んで対称関係に形成される。同様に、斜めに連続する隣り合う2つの第2画素93B(すなわち画素G42)及び第2画素93B(すなわち画素G51)が共有するフローティング・ディフージョンFD1を挟んで対称関係に形成される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 19, two adjacent
この2つ1組の第2画素93B、例えば画素G24及び画素G33では、それぞれのフォトダイオードPDgで光電変換されて蓄積された信号電荷が、所要にタイミング差を置いて、それぞれ転送ゲート電極60をオンして共有するフローティング・ディフージョンFD1に転送される。
In the second set of
上述の第5実施の形態及び第6実施の形態での色信号は、前述の数1に示す演算式を用いて求めることができる。すなわち、例えば図17においては、水平、垂直の2×2の画素となる2つのG画素と2つのMg画素に跨がる領域(4つの画素の交点領域)を仮想画素とする。今、画素G11とG22とMg12とMg21に跨がる仮想画素P5の緑(G),赤(R),青(B)の色信号GP5,RP5,BP5を演算する。
The color signals in the fifth embodiment and the sixth embodiment described above can be obtained using the arithmetic expression shown in
前述と同様に、
〔数15〕
GP5=(G11+G22)/2
RP5=(Mg21R +Mg12R )/2
BP5=(Mg21B +Mg12B )/2
で求まる。
As before,
[Equation 15]
G P5 = (G 11 + G 22 ) / 2
R P5 = (Mg 21R + Mg 12R ) / 2
B P5 = (Mg 21B + Mg 12B ) / 2
It is obtained by.
図12においては、前述の演算式のG11,G22,Mg12,Mg21を、G11,G22,R/B12,R/B21に置き換えて同様に、R信号、G信号、B信号の各色信号を求めることができる。 In FIG. 12, G11, G22, Mg12, and Mg21 in the above-described arithmetic expressions are replaced with G11, G22, R / B12, and R / B21 to similarly obtain each color signal of the R signal, the G signal, and the B signal. Can do.
このように、本発明の第5、第6実施の形態では、同一画素からR信号、B信号を取出すことができるので、前述したようにR,G,Bの色信号の演算式を簡略化することができる。これによって、後段の信号処理を高速化、簡略化し易くなる。 As described above, in the fifth and sixth embodiments of the present invention, since the R signal and the B signal can be extracted from the same pixel, the arithmetic expressions of the R, G, and B color signals are simplified as described above. can do. This facilitates speeding up and simplifying subsequent signal processing.
さらに、第5実施の形態に係る半導体イメージセンサ80によれば、第1画素(R/B画素)と第2画素(G画素)の配列で、しかも斜めに連続する隣り合う2つの同色の画素がフローティング・ディフージョン(FD)を共有しているので、画素1つ1つの受光面積をより広くとることができ、感度を向上することができる。
第1画素83A及び第2画素83Bを構成するフォトダイオードPDb,PDr,PDgがHAD構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、R/B画素83Aにおいて、リセット動作を行っても、赤(R)、青(B)の電荷蓄積領域であるn型半導体領域44、43にノイズがのることはない。したがって、S/Nが向上する。
Furthermore, according to the
Since the photodiodes PDb, PDr, and PDg constituting the
第1画素83A、第2画素83Bにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するn型半導体領域43、44、56の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。
The
また、第6実施の形態に係る半導体イメージセンサ90によれば、第1画素(Mg画素)と第2画素(G画素)の配列で、しかも斜めに連続する隣り合う2つの同色の画素がフローティング・ディフージョン(FD)を共有しているので、画素1つ1つの受光面積をより広くとることができ、感度を向上することができる。
第1画素93A及び第2画素93Bを構成するフォトダイオードPDb,PDr,PDgがHAD構造であるので、ノイズの発生を著しく抑えることができる。特に、Mg画素93Aにおいて、リセット動作を行っても、赤(R)、青(B)の電荷蓄積領域であるn型半導体領域44、43にノイズがのることはない。したがって、S/Nが向上する。
In addition, according to the
Since the photodiodes PDb, PDr, and PDg constituting the
第1画素93A、第2画素93Bにおいては、それぞれ波長を異にする各色光の光電変換に寄与するn型半導体領域43、44、56の深さ方向の位置を波長に応じて異ならした構成であるので、混色が抑えられ、色分離性が高くなる。カラーフィルタを形成するときは、所望の色信号を確実に分離できる。
In the
一方、本発明に係る半導体イメージセンサは、第1画素グループと第2画素グループの複数の画素において、画素を構成するMOSトランジスタを共有することができる。すなわち、MOSトランジスタ4個の場合に、例えば選択トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの夫々、あるいはこれらトランジスタの全てを共有するように構成することがでる。また、MOSトランジスタ3個の場合に、リセットトランジスタ、増幅トランジスタの夫々、あるいはこれらのトランジスタの全てを共有するように構成することができる。 On the other hand, the semiconductor image sensor according to the present invention can share the MOS transistors constituting the pixels in the plurality of pixels of the first pixel group and the second pixel group. That is, in the case of four MOS transistors, for example, the selection transistor, the reset transistor, the amplification transistor, or all of these transistors can be shared. In the case of three MOS transistors, each of the reset transistor and the amplification transistor, or all of these transistors can be shared.
図22及び図23にその実施の形態を示す。図22は、Mg画素とG画素の2画素で増幅トランジスタとリセットトランジスタと選択トランジスタを共有した実施の形態である。本実施の形態は、G画素による緑色用フォトダイオードPDgと、Mg画素による赤色用フォトダイオードPDr及び青色用フォトダイオードPDbとに対してそれぞれ対応する転送用トランジスタTr1g,Tr1r,Tr1bのソースが接続される。各転送用トランジスタTr1g,Tr1r,Tr1bの各ゲートには転送配線111(G),111(MgR),111(MgB)が接続される。各転送トランジスタTr1g,Tr1r,Tr1bのドレインは、共通接続されて1つのリセットトランジスタTrRESに接続されると共に、転送用トランジスタのドレインとリセットトランジスタのソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンFDが1つの増幅トランジスタTrAMPのゲートに接続される。リセットトランジスタTrRESのドレインと増幅トランジスタTrAMPのドレインは電源配線112(Vcc)に接続される。リセットトランジスタTrRESのゲートはリセット配線113に接続される。さらに、増幅トランジスタTrAMPのソースが1つの選択トランジスタTrSELのドレインに接続される。選択トランジスタTrSELのソースは垂直信号線115に接続され、そのゲートに選択配線114が接続される。
The embodiment is shown in FIG. 22 and FIG. FIG. 22 shows an embodiment in which an amplification transistor, a reset transistor, and a selection transistor are shared by two pixels of the Mg pixel and the G pixel. In the present embodiment, the sources of the transfer transistors Tr1g, Tr1r, Tr1b corresponding to the green photodiode PDg by the G pixel and the red photodiode PDr and the blue photodiode PDb by the Mg pixel are respectively connected. The Transfer wirings 111 (G), 111 (MgR), and 111 (MgB) are connected to the gates of the transfer transistors Tr1g, Tr1r, and Tr1b. The drains of the transfer transistors Tr1g, Tr1r, Tr1b are connected in common and connected to one reset transistor Tr RES , and a so-called floating diffusion FD between the drain of the transfer transistor and the source of the reset transistor is amplified by one. Connected to the gate of the transistor Tr AMP . The drain of the reset transistor Tr RES and the drain of the amplification transistor Tr AMP are connected to the power supply wiring 112 (Vcc). The gate of the reset transistor Tr RES is connected to the
このように、Mg画素とG画素の2つの画素に対してリセットトランジスタTrRES、増幅トランジスタTrAMP及び選択トランジスタTrSELを共有することにより、前述のMg画素及びG画素を斜めずらし配列したことによる効果に加えて、画素のMOSトランジスタの面積を縮小することができる。従って、フォトダイオード面積(受光部の開口面積)を更に大きくすることができるので、飽和電荷量、感度をさらに向上することができる。 Thus, by sharing the reset transistor Tr RES , the amplification transistor Tr AMP and the selection transistor Tr SEL with respect to the two pixels of the Mg pixel and the G pixel, the Mg pixel and the G pixel described above are arranged obliquely. In addition to the effect, the area of the MOS transistor of the pixel can be reduced. Accordingly, since the photodiode area (opening area of the light receiving portion) can be further increased, the saturation charge amount and sensitivity can be further improved.
図23は、2つのMg画素と2つのG画素の計4画素で増幅トランジスタとリセットトランジスタと選択トランジスタを共有した実施の形態である。本実施の形態は、2つのG画素による緑色用フォトダイオードPDg1,PDg2と、2つのMg画素による赤色用フォトダイオードPDr1,PDr2及び青色用フォトダイオードPDb1,PDb2とに対してそれぞれ対応する転送用トランジスタTr1g,Tr2g,Tr1r,Tr2r,Tr1b,Tr2bのソースが接続される。この場合転送用トランジスタは6個となる。各転送用トランジスタTr1g,Tr2g,Tr1r,Tr2r,Tr1b,Tr2bの各ゲートには転送配線111G1,111G2,111MgR1,111MgR2,111MgB1,111MgB2が接続される。各転送トランジスタTr1g,Tr2g,Tr1r,Tr2r,Tr1b,Tr2bのドレインは、共通接続されて1つのリセットトランジスタTrSELに接続されると共に、転送用トランジスタのドレインとリセットトランジスタTrRESのソース間のいわゆるフローティング・ディフージョンFDが1つの増幅トランジスタTrAMPのゲートに接続される。リセットトランジスタTrRESのドレインと増幅トランジスタTrAMPのドレインは電源配線112(Vcc)に接続される。リセットトランジスタTrRESのゲートはリセット配線113に接続される。さらに、増幅トランジスタTrAMPのソースが1つの選択トランジスタTrSELのドレインに接続される。選択トランジスタTrSELのソースは垂直信号線115に接続され、そのゲートに選択配線114が接続される。
FIG. 23 shows an embodiment in which an amplification transistor, a reset transistor, and a selection transistor are shared by a total of four pixels including two Mg pixels and two G pixels. In the present embodiment, transfer transistors respectively corresponding to green photodiodes PDg1 and PDg2 using two G pixels, and red photodiodes PDr1 and PDr2 and blue photodiodes PDb1 and PDb2 using two Mg pixels, respectively. The sources of Tr1g, Tr2g, Tr1r, Tr2r, Tr1b, Tr2b are connected. In this case, there are six transfer transistors. Transfer wirings 111G1, 111G2, 111MgR1, 111MgR2, 111MgB1, and 111MgB2 are connected to the gates of the transfer transistors Tr1g, Tr2g, Tr1r, Tr2r, Tr1b, and Tr2b. The drains of the transfer transistors Tr1g, Tr2g, Tr1r, Tr2r, Tr1b, Tr2b are connected in common and connected to one reset transistor Tr SEL , and so-called floating between the drain of the transfer transistor and the source of the reset transistor Tr RES. The diffusion FD is connected to the gate of one amplification transistor Tr AMP . The drain of the reset transistor Tr RES and the drain of the amplification transistor Tr AMP are connected to the power supply wiring 112 (Vcc). The gate of the reset transistor Tr RES is connected to the
このように、2つのMg画素と2つのG画素の計4つの画素に対してリセットトランジスタTrRES、増幅トランジスタTrAMP及び選択トランジスタTrSELを共有することにより、前述のMg画素及びG画素を斜めずらし配列したことによる効果に加えて、画素のMOSトランジスタの面積をさらに縮小することができる。従って、フォトダイオード面積(受光部の開口面積)を更に大きくすることができるので、飽和電荷量、感度をさらに向上することができる。 In this way, by sharing the reset transistor Tr RES , the amplification transistor Tr AMP, and the selection transistor Tr SEL with respect to a total of four pixels, that is, two Mg pixels and two G pixels, the above-described Mg pixel and G pixel are slanted. In addition to the effect of the shifted arrangement, the area of the MOS transistor of the pixel can be further reduced. Accordingly, since the photodiode area (opening area of the light receiving portion) can be further increased, the saturation charge amount and sensitivity can be further improved.
なお、図22、図23は画素トランジスタとして4つのMOSトランジスタを有した場合であるが、前述の図26に示す画素トランジスタとして3つのMOSトランジスタを有した場合にも適用できえる。その場合には、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ等を共有した構成とすることができる。 22 and 23 show the case where four pixel transistors are provided as the pixel transistors, but the present invention can also be applied to the case where the pixel transistors shown in FIG. 26 have three MOS transistors. In that case, the reset transistor, the amplification transistor, and the like can be shared.
上述したように本実施の形態によれば、2×2の分光構造(すなわち、G検出センサと、B,R検出センサを分けて、B,Rは同一画素から検出できる構造)を用いて、かつG検出センサ(画素)とB,R検出センサ(画素)を水平、垂直方向に交互に配列した構成としたので、仮想画素のR,G,Bの各色信号を求める演算式を簡略化することができる。第1実施の形態のオンチップカラーフィルタを有しない構成としても、色分解が可能であり、低コスト化ができ、感度を向上することができる。さらに、フローティング・ディフージョンを共有することにより、更なる感度向上ができる。 As described above, according to the present embodiment, a 2 × 2 spectral structure (that is, a structure in which the G detection sensor and the B and R detection sensors are separated and B and R can be detected from the same pixel) is used. In addition, since the G detection sensor (pixel) and the B and R detection sensors (pixel) are alternately arranged in the horizontal and vertical directions, the calculation formula for obtaining the R, G, and B color signals of the virtual pixel is simplified. be able to. Even if the on-chip color filter of the first embodiment is not provided, color separation is possible, the cost can be reduced, and the sensitivity can be improved. Furthermore, the sensitivity can be further improved by sharing the floating diffusion.
上例では、原色フィルタとして緑(G)フィルタを、補色フィルタとしてマゼンタ(Mg)フィルタを用いたが、その他の原色フィルタと補色フィルタの組み合わせにも本発明は適用できる。 In the above example, a green (G) filter is used as a primary color filter and a magenta (Mg) filter is used as a complementary color filter. However, the present invention can be applied to other combinations of primary color filters and complementary color filters.
31,70,80,90・・半導体イメージセンサ、33〔33A,33B〕、33i,73i・・仮想画素、73〔73A,73B〕、83〔83A,83B〕、93〔93A,93B〕、・・画素、35,36・・周辺回路、32・・n型半導体基板、42・・p型半導体ウェル領域、43,44,56・・n型半導体領域、PDb・・青色用フォトダイオード、PDr・・赤色用フォトダイオード、PDg・・緑色用フォトダイオード、57・・p型アキュミュレーション領域、75・・マゼンタ(Mg)フィルタ、76・・緑(G)フィルタ、47,48,58、FD1,FD2,FD3,・・フローティング・ディフージョン 31, 70, 80, 90 .. Semiconductor image sensor, 33 [33A, 33B], 33i, 73i .. Virtual pixels, 73 [73A, 73B], 83 [83A, 83B], 93 [93A, 93B],. ..Pixel, 35, 36..Peripheral circuit, 32..n-type semiconductor substrate, 42..p-type semiconductor well region, 43, 44, 56..n-type semiconductor region, PDb..blue photodiode, PDr. · Red photodiode, PDg · · Green photodiode, 57 · · p-type accumulation region, 75 · · Magenta (Mg) filter, 76 · · Green (G) filter, 47, 48, 58, FD1, FD2, FD3, Floating diffusion
Claims (12)
第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、
前記第1画素に補色フィルタが配置され、前記第2画素に原色フィルタが配置され、
前記第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、
前記斜めに連続する第1画素間を結ぶ直線と、前記斜めに連続する第2画素間を結ぶ交点領域を仮想画素とし、
互いに斜め方向に隣接する少なくとも、2つの第1画素及び2つの第2画素に蓄積された信号電荷から前記仮想画素の3原色信号を生成する
ことを特徴とする半導体イメージセンサ。 A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading signal charges of the photoelectric conversion means,
The first pixels and the second pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction,
A complementary color filter is disposed in the first pixel, and a primary color filter is disposed in the second pixel;
The first pixel includes a plurality of photoelectric conversion regions having different depths,
The intersection area connecting the diagonally continuous first pixels and the diagonally continuous second pixels is a virtual pixel,
A semiconductor image sensor, wherein three primary color signals of the virtual pixel are generated from signal charges accumulated in at least two first pixels and two second pixels adjacent to each other in an oblique direction.
第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、
前記第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、
前記斜めに連続する第1画素間を結ぶ直線と、前記斜めに連続する第2画素間を結ぶ交点領域を仮想画素とし、
互いに斜め方向に隣接する少なくとも、2つの第1画素及び2つの第2画素に蓄積された信号電荷から前記仮想画素の3原色信号を生成する
ことを特徴とする半導体イメージセンサ。 A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading signal charges of the photoelectric conversion means,
The first pixels and the second pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction,
The first pixel includes a plurality of photoelectric conversion regions having different depths,
The intersection area connecting the diagonally continuous first pixels and the diagonally continuous second pixels is a virtual pixel,
A semiconductor image sensor, wherein three primary color signals of the virtual pixel are generated from signal charges accumulated in at least two first pixels and two second pixels adjacent to each other in an oblique direction.
第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、
前記第1画素に補色フィルタが配置され、前記第2画素に原色フィルタが配置され、
前記第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、
前記第2画素の上下及び/または左右の前記第1画素から、前記第2画素の位置の補色信号を生成する
ことを特徴とする半導体イメージセンサ。 A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading signal charges of the photoelectric conversion means,
The first pixels and the second pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction,
A complementary color filter is disposed in the first pixel, and a primary color filter is disposed in the second pixel;
The first pixel includes a plurality of photoelectric conversion regions having different depths,
A complementary image signal of the position of the second pixel is generated from the first pixel above and / or below and / or right and left of the second pixel.
第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、
前記第1画素に補色フィルタが配置され、前記第2画素に原色フィルタが配置され、
前記第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、
前記第1画素の上下及び/または左右の前記第2画素から、前記第1画素の位置の原色信号を生成する
ことを特徴とする半導体イメージセンサ。 A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading signal charges of the photoelectric conversion means,
The first pixels and the second pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction,
A complementary color filter is disposed in the first pixel, and a primary color filter is disposed in the second pixel;
The first pixel includes a plurality of photoelectric conversion regions having different depths,
A primary image signal of the position of the first pixel is generated from the second pixel above and / or below the first pixel.
第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、
前記第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、
前記第2画素の上下及び/または左右の前記第1画素から、前記第2画素の位置の仮想複数色信号を生成する
ことを特徴とする半導体イメージセンサ。 A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading signal charges of the photoelectric conversion means,
The first pixels and the second pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction,
The first pixel includes a plurality of photoelectric conversion regions having different depths,
A virtual multiple color signal at the position of the second pixel is generated from the first pixel above and / or below the second pixel.
第1画素と第2画素が水平方向に交互に且つ垂直方向に交互に配列され、
前記第1画素は深さの異なる複数の光電変換領域からなり、
前記第1画素の上下及び/または左右の前記第2画素から、前記第1画素の位置の原色信号を生成する
ことを特徴とする半導体イメージセンサ。 A semiconductor image sensor comprising a plurality of pixels including a photoelectric conversion means and a MOS transistor for selectively reading signal charges of the photoelectric conversion means,
The first pixels and the second pixels are alternately arranged in the horizontal direction and alternately in the vertical direction,
The first pixel includes a plurality of photoelectric conversion regions having different depths,
A primary image signal of the position of the first pixel is generated from the second pixel above and / or below the first pixel.
斜めに連続する隣合う2つの第2画素を1組として該1組の第2画素がフローティング・ディフージョンを共有する
ことを特徴とする請求項1記載の半導体イメージセンサ。 Adjacent first pixels that are diagonally adjacent share a floating diffusion,
2. The semiconductor image sensor according to claim 1, wherein two adjacent second pixels that are obliquely continuous are taken as a set, and the set of second pixels share a floating diffusion.
斜めに連続する隣合う2つの第2画素を1組として該1組の第2画素がフローティング・ディフージョンを共有する
ことを特徴とする請求項2記載の半導体イメージセンサ。 Adjacent first pixels that are diagonally adjacent share a floating diffusion,
3. The semiconductor image sensor according to claim 2, wherein two adjacent second pixels that are obliquely continuous are taken as a set, and the set of second pixels share a floating diffusion. 4.
斜めに連続する隣合う2つの第2画素を1組として該1組の第2画素がフローティング・ディフージョンを共有する
ことを特徴とする請求項3記載の半導体イメージセンサ。 Adjacent first pixels that are diagonally adjacent share a floating diffusion,
4. The semiconductor image sensor according to claim 3, wherein two adjacent second pixels that are obliquely continuous are taken as a set, and the set of second pixels share a floating diffusion. 5.
斜めに連続する隣合う2つの第2画素を1組として該1組の第2画素がフローティング・ディフージョンを共有する
ことを特徴とする請求項4記載の半導体イメージセンサ。 Adjacent first pixels that are diagonally adjacent share a floating diffusion,
5. The semiconductor image sensor according to claim 4, wherein two adjacent second pixels that are obliquely continuous are taken as a set, and the set of second pixels share a floating diffusion.
斜めに連続する隣合う2つの第2画素を1組として該1組の第2画素がフローティング・ディフージョンを共有する
ことを特徴とする請求項5記載の半導体イメージセンサ。 Adjacent first pixels that are diagonally adjacent share a floating diffusion,
The semiconductor image sensor according to claim 5, wherein two adjacent second pixels that are obliquely adjacent to each other are taken as a set, and the set of second pixels share a floating diffusion.
斜めに連続する隣合う2つの第2画素を1組として各組の2つの第2画素がフローティング・ディフージョンを共有する
ことを特徴とする請求項6記載の半導体イメージセンサ。 Adjacent first pixels that are diagonally adjacent share a floating diffusion,
7. The semiconductor image sensor according to claim 6, wherein two second pixels adjacent to each other in an oblique direction are set as one set, and the two second pixels in each set share a floating diffusion.
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